Wzory pasty termicznej QFN, które można ponownie wyczyścić

Przebudowa uszkodzonego pakietu QFN na gęstej płytce analogowej nie powinna grozić zniszczeniem całej konstrukcji. Zbyt często tak się dzieje. Winowajcą jest nakładka na stencel termiczny zaprojektowana tylko do początkowego montażu, a nie do rzeczywistości wymiany komponentów. Solidna otwór, który zostawia grubą warstwę pasty, może tworzyć mocne połączenie termiczne podczas produkcji, ale ta sama masa cyny staje się uciążliwym pochłaniaczem ciepła podczas przebudowy. Rozprzestrzenia destrukcyjną energię termiczną na ściśle upakowane komponenty, przemieniając prostą naprawę w kaskadę awarii.

Możliwość przebudowy nie jest kwestią drugorzędną; jest kluczowym wkładem w projekt, który musi od początku kształtować geometrę stencela. Kluczem do czystej przebudowy jest wzór, który celowo zmniejsza ilość pasty na padzie termicznym. Wzory z otworami w szybkę tworzą preferencyjne ścieżki ciepła, lokalizując energię termiczną na docelowym komponencie zamiast rozpraszać ją na otaczającej płytce. Podejście to oznacza akceptację umiarkowanego ograniczenia początkowej objętości cyny. Nie jest to kompromis — to optymalizacja cyklu życia montażu, w którym możliwość wymiany jednego elementu bez szkody kolateralnej jest warte więcej niż marginalny zysk w przewodności cieplnej.

Projekt stencela, który to osiąga, nie jest skomplikowany, lecz celowy. Łączy wzory otworów w szybkę — dzieląc pad termiczny na siatkę oddzielnych wysp cyny — z cieńszym stemplem o grubości 4 do 5 mili. Te wybory zmieniają równanie masy termicznej na korzyść dostępności do przebudowy, jednocześnie zapewniając więcej niż wystarczającą pokrycie cyny dla wydajności cieplnej w większości zastosowań analogowych. Powstałe połączenia są zaprojektowane tak, aby mogły być odwracalne.

Imperatyw przebudowy dla gęstych układów analogowych

We współczesnych układach analogowych przebudowa to kwestia fizyki, a nie tylko umiejętności technika. Gdy QFN jest otoczony pasywnymi elementami 0402 w odstępie 0,5 mm, energia cieplna potrzebna do roztopienia lutowanych połączeń nigdy nie pozostaje na miejscu. Ciepło przenika przez płytkę, maskę lutowniczą, a co najważniejsze — przez masę lutowniczą samego padu termicznego. Jeśli ta masa jest duża, działa jak cieplny zbiornik, który trzeba podgrzać do temperatury topnienia, zanim można usunąć układ. Energia potrzebna do podgrzania tego zbiornika jest tym samym, co uszkadza sąsiednie komponenty.

Konsekwencja ekonomiczna jest jasna: próba przebudowy, która powoduje mostek lutowniczy do sąsiedniego drobno-pitchowego elementu albo termicznie wstrząsa precyzyjnym napięciowym odniesieniem, powodując jego dryf, zamienia jedną awarię na układ skreślony. W prototypowaniu czy produkcji niskonakładowej, gdzie koszty płytek są wysokie, a czas realizacji długi, jest to nieakceptowalne. Koszt zaprojektowania szablonu, aby zapobiec temu, jest znikomy w porównaniu do łącznej wartości każdego skreślonego układu podczas przebudowy.

Gęste układy analogowe zwiększają to wyzwanie, nie pozostawiając marginesu termicznego. Dyskretny układ zasilający QFN na odizolowanym fragmencie płyty może tolerować niedokładne grzanie, ponieważ nic krytycznego nie znajduje się w pobliżu. QFN zintegrowany w gęstym łańcuchu sygnałowym, otoczony dopasowanymi sieciami rezystorów i niskonapięciowymi wzmacniaczami operacyjnymi, już nie. Różni się to od narzędzia przebudowy lub operatora; to masa termiczna, którą projekt stencela nakłada na płytę. Pad termiczny jest zazwyczaj największym pojedynczym połączeniem luźnym, często zawierającym od 40 do 60 procent całej masy cyny elementu. Solidny otwór zmusza stację przebudowy do jednoczesnego podtopienia całej tej masy, co generuje zapotrzebowanie na ciepło, którego standardowe narzędzia nie mogą lokalnie spełnić. Operatorzy są zmuszeni podnosić temperaturę strumienia powietrza albo czas przebywania, co zwiększa ślad termiczny i gwarantuje szkody kolateralne. Rozwiązaniem nie jest lepsze narzędzie; to zmniejszenie masy termicznej, z którą narzędzie musi walczyć.

Jak nadmierna ilość pasty kompromituje poprawki

Nadmiarowa pasta na padzie termicznym powoduje przewidywalne awarie. To nie są abstrakcyjne ryzyko; są to bezpośrednie skutki geometrii lutowia współdziałającego z ciepłem narzędzia przebudowy. Solidny otwór w stence tworzy połączenie lutownicze o wysokiej masie termicznej. Choć podczas początkowego montażu może się to wydawać idealne — zapewniając pełne zwilżanie i mocne mocowanie — podczas przebudowy staje się źródłem wielu mechanizmów awarii.

Pierwszym problemem jest zatrzymanie ciepła. Lut jest słabym przewodnikiem ciepla w porównaniu z miedzią, ale jest znacznie lepszym niż powietrze. Gdy narzędzie przebudowy nakłada ciepło, duże, solidne połączenie lutownicze pochłania i rozprasza tę energię szeroko, zanim osiągnie temperaturę topnienia. To jest przeciwieństwem tego, czego oczekuje się przy przebudowie. Efektywna przebudowa wymaga stromego, lokalnego gradientu cieplnego, który topi lut na styku komponentu bez przegrzewania otaczającej płyty. Masowe połączenie lutownicze temu zapobiega, działając jak bufor termiczny, zmuszając proces do podgrzania większego obszaru, aby wykonać robotę. To skutkuje dwoma specyficznymi, szkodliwymi efektami: pustkami i przesunięciem lutowia.

Próba odparowania z uwięzionych strumieni lotnych

Pustki powstają, gdy gaz, głównie z odparowanego strumienia, uwięziony jest podczas krzepnięcia lutowia. W dobrze zaprojektowanym połączeniu, te lotne substancje uciekają zanim lut się zamarznie. Jednak na dużym, solidnym podkładzie termicznym geometria działa przeciwko temu. Gdy pasta się rozpuszcza, odparowany strumień generuje ciśnienie. Jeśli połączenie jest siatką mniejszych wysp (wzór okna), gaz może łatwo migrować do krawędzi i uciec. Na dużej, ciągłej masie, droga do krawędzi jest zbyt długa. Powierzchnia stopionego lutowia, dzięki napięciu powierzchniowemu, uwięzia gaz, który tworzy pustki podczas schładzania połączenia.

Reworking pogarsza ten problem. Połączenie, które jest przerabiane, już przeszło przez jeden cykl reflow, zużywając większość swojego strumienia. Po ponownym podgrzaniu, aktywuje się pozostały strumień, ale jest go mniej, by pomóc lutowi skleić się i uwolnić uwięziony gaz. Podgrzewanie podczas przeróbki jest również szybsze i mniej jednolite niż podczas produkcji, tworząc termiczne gradienty, które pogłębiają uwięzienie gazu. Efektem jest jeszcze więcej pustek.

To nie jest tylko defekt kosmetyczny. W podkładzie termicznym pustki pogarszają przewodność cieplną, zwiększając opór termiczny między komponentem a płytą drukowaną. W przypadku komponentów takich jak wysokoprądowe MOSFET-y lub precyzyjne układy analogowe, które polegają na podkładzie termicznym w celu chłodzenia, może to spowodować przekroczenie bezpiecznego zakresu temperatury złącza. Ironią jest to, że solidne otwory wybrane w celu maksymalizacji wydajności termicznej mogą ostatecznie ją obniżyć, sprzyjając powstawaniu pustek.

Małe kuleczki i przesunięcia pasty

Inna główna konsekwencja nadmiaru pasty to boczne przesunięcie rozpuszczonego lutowia. Objawia się to jako mikro kulki lub krople lutowia wokół komponentu. Gdy duża masa rozpuszczonego lutowia jest wzburzana—przez nacisk z dyszy przeróbkowej lub gwałtowne uwolnienie uwięzionych gazów strumieniowych—części z niej mogą zostać wyrzucone z połączenia. W zwartej montażu, wyrzucone lutowisko ląduje na maska lutownicza lub między pady komponentów, utwardzając się w malutkie, przewodzące kuleczki.

Gruba maska, taka jak 6 mili, połączona z solidnym otworem, sprawia, że jest to nieuniknione. Ilość naniesionego lutowia może przekraczać obszar powlekany lutem, szczególnie jeśli pad jest zdefiniowany przez maskę lutowniczą z niedoskonałą rejestracją. Podczas reflow, nadmiar lutowia tworzy krople na krawędziach połączenia. Podczas przeróbki, to jest pierwszy materiał, który topnieje i najczęściej ulega przesunięciu. Dla układu analogowego z precyzyjnymi rezystorami lub niską lepką połączeń obok QFN, jedna kulka lutowia może spowodować zwarcie lub ścieżkę wycieku, co niszczy funkcjonalność.

Sam strumień może działać jako mechanizm transportowy. W temperaturach reflow, strumień staje się cieczą o niskiej lepkości, która może przenosić cząstki rozpuszczonego lutowia podczas rozchodzenia się. Wkłada się w wąskie szczeliny między padami, transportując mikro lut i pozostawiając przewodzące zanieczyszczenie po ochłodzeniu.

Wzory otworów w szybce: strategia rozwiązania

Otwarte okienko nie jest kompromisem; jest to strategiczna rekonfiguracja połączenia lutowniczego. Zamiast pojedynczego dużego otworu, otwór w masce jest podzielony na siatkę mniejszych otworów, tworząc oddzielne wyspy lutownicze oddzielone szczelnymi przerwami bez lutu. Powstałe połączenie to seria odizolowanych połączeń, a nie jeden monolityczny blok.

Ta geometria bezpośrednio przeciwdziała trybom uszkodzeń spowodowanym nadmiarem pasty. Szczeliny między wyspami lutowniczymi służą dwóm funkcjom: umożliwiają łatwą drogę ucieczki dla lotnych substancji strumienia, znacznie zmniejszając pustki, oraz obniżają całkowitą masę termiczną połączenia. Ta redukcja masy termicznej umożliwia czyste przeróbki. Połączenie z pokryciem lutowiem na poziomie 50% wymaga mniej energii cieplnej do reflow, co bezpośrednio przekłada się na bardziej precyzyjny profil cieplny podczas przeróbki, koncentrując ciepło na docelowym komponencie i chroniąc sąsiednie elementy.

Różnica jest widoczna podczas procesu przeróbki. Wyspy lutownicze w wzorze okienkowym szybciej i bardziej równomiernie osiągają temperaturę reflow. Szczeliny umożliwiają gorącemu powietrzu z narzędzia do przeróbki zbliżenie się do płyty, poprawiając transfer ciepła. Mniejsza ilość lutowia do podgrzania skraca czas eksploatacji, co oznacza mniejszą ekspozycję termiczną i mniejsze ryzyko uszkodzeń pobocznych w całym układzie.

Geometria otworów i rozkład ciepła

Przerwa w wzorze okienkowym to specjalnie zaprojektowane kanały dla ciepła i gazów. Podczas przeróbki, te szczeliny powietrzne pozwalają gorącemu powietrzu dotrzeć głębiej do interfejsu między komponentem a płytą, poprawiając wydajność procesu.

Szerokość szczeliny musi być na tyle duża, aby umożliwić cyrkulację powietrza, ale wystarczająco wąska, aby podczas reflow nie dochodziło do łączenia się wysp z cyną. Typowa szczelina dla QFN-ów w zakresie 5 mm do 7 mm wynosi od 0,5 mm do 1,0 mm. Poszczególne wyspy z cyną są zazwyczaj jednolitymi kwadratami lub prostokątami, co upraszcza projekt sitodruku i zapewnia równomierne wydzielanie pasty. Główną zmienną projektową jest procent całkowitego pokrycia — stosunek powierzchni cyny do łącznej powierzchni pola. Pokrycia między 50 a 70 procent jest powszechne dla projektów zoptymalizowanych pod kątem reworku. Wzór 50 procent dzieli masę cieplną na pół, zapewniając maksymalną reworkowalność. Wzór 70 procent oferuje bardziej umiarkowane korzyści reworkowe, ale zachowuje więcej pierwotnej przewodności cieplnej. Wybór zależy od potrzeb termicznych komponentu i gęstości otaczającego układu.

Jednak, nieprawidłowo wykonany wzór okienkowy może się nie powieść. Najczęstszym błędem jest zbyt wąskie szczeliny, które pozwalają na mostkowanie cyny pomiędzy wyspami, odtwarzając trwałe połączenie. Inne błędy to nieregularne rozmiary wysp, które mogą powodować nierównomierne nagrzewanie, lub nie uwzględnianie opadania pasty przy cienkich szablonach. Wzór musi być wykonany precyzyjnie, aby działał poprawnie.

Wybór grubości szablonu dla kompatybilności z przebudową

Wzór otworów określa, gdzie ma iść pasta; grubość sitodruku określa, ile jej jest. Dwa parametry muszą być dobierane razem. Dla projektów zoptymalizowanych pod kątem reworku, cieńsza szablona w zakresie 4 do 5 mili zapewnia znaczne zmniejszenie ilości pasty bez kompromisów dla niezawodności połączenia w większości zastosowań.

Standardowe szablony produkcyjne mają często grubość od 5 do 6 mili. Przejście z szablony 6 mili na 5 mili zmniejsza objętość pasty o prawie 20 procent. Ta utracona ilość przekłada się bezpośrednio na mniejszą masę cieplną, skracając czas reworku i zmniejszając narażenie termiczne dla pobliskich elementów.

Handel polega na potencjalnym niedoborze pasty na cienkich prowadnicach obwodowych. Współczynnik proporcji wymiarów otworu (szerokość do grubości) musi być wystarczająco wysoki, aby zapewnić niezawodne uwalnianie pasty. Dla prowadnicy o odstępie 0,5 mm z otworem szerokości 0,25 mm, szablona 5 mili daje proporcję 2:1, co jest graniczne. Szablona 4 mili poprawia tę proporcję do 2,5:1, co zwiększa uwalnianie pasty. Cieńsze szablony mogą zatem poprawić jakość druku na cienkich leadach, jednocześnie zmniejszając objętość pasty na polu ciepła — jest to idealne połączenie dla gęstych zbiorów analogowych.

Zalecane zakresy grubości:

• Dla projektów skoncentrowanych na przeróbkach (okno 50-70%): Grubość od 4 do 5 mil.
• Dla wysokiej wydajności termicznej z możliwością przeróbek (twarda podstawa): Grubość od 3 do 4 mil, wymagająca ścisłej kontroli procesu.
• Dla produkcji standardowej (przeróbki nie są priorytetem): Grubość od 5 do 6 mil.

Ta strategia jest jeszcze bardziej istotna w przypadku stopów bezołowiowych, takich jak SAC305. Ich wyższe temperatury reflow (240-250°C) zwiększają energię cieplną potrzebną do reworku, co potęguje problem masy termicznej. W przypadku płytek bez ołowiu, korzyści z redukcji objętości pasty wynikających z wzorów okienkowych i cieńszych szablonów są jeszcze bardziej widoczne.

Zrównoważenie wydajności termicznej a rzeczywistość przebudowy

Projektowanie szablony do pola ciepła to balans: maksymalizować cynę dla przewodności cieplnej, czy minimalizować ją, aby ułatwić rework. W niektórych wysokoprądowych zastosowaniach potrzeby cieplne są absolutne, i każda redukcja przewodności jest nie do przyjęcia. W takich przypadkach projekt musi priorytetowo traktować wydajność termiczną i zaakceptować trudności w reworku lub wprowadzić inne strategie zarządzania ciepłem, takie jak pola ciepła lub zewnętrzne radiatory.

Dla większości analogowych QFN-ów jednak, wymagania cieplne nie są absolutne. Połączenie cyny jest tylko jednym z kilku oporów cieplnych na drodze od złącza krzemowego do otaczającego powietrza, i nie jest często tym dominującym. Opór od złącza do obudowy komponentu oraz od płytki do powietrza jest często większy. W tych systemach zmniejszenie pokrycia cyny z 100 procent do 60 procent może zwiększyć opór cieplny połączenia, ale wpływ na całkowity opór cieplny systemu może wynieść tylko 10 do 20 procent. Często jest to akceptowalna wymiana w celu zapewnienia reworkowalności.

Procent pokrycia lutowia jest parametrem kontrolującym ten kompromis. Wzór pokrycia 50 procent zapewnia maksymalną korzyść z ponownej obróbki poprzez zmniejszenie masy cieplnej o połowę. Wzór pokrycia 70 procent oferuje bardziej konserwatywną równowagę, zachowując większość wydajności cieplnej, a jednocześnie tworząc ścieżki ucieczki dla gazu i przerwach w masie lutowia. Właściwy wybór musi być oparty na analizie termicznej.

Weryfikacja termiczna bez kompromisu dla ponownej obróbki

Walidacja termiczna może być przeprowadzona za pomocą symulacji lub testów empirycznych. Narzędzia symulacyjne mogą modelować przepływ ciepła i przewidywać temperaturę złącza przy różnych procentach pokrycia lutowiem, kwantyfikując wpływ wzoru szybki szkła.

Dla zespołów bez narzędzi symulacyjnych, testy empiryczne są wiarygodną alternatywą. Zmontuj prototypy z proponowanym wzorem szybki szkła, zasil komponent i zmierz jego temperaturę za pomocą termoparów lub kamery podczerwieni. Jeśli zmierzone temperatury są bezpiecznie w granicach określonych przez specyfikację komponentu w najgorszych warunkach eksploatacji (maksymalna moc, maksymalna temperatura otoczenia), projekt jest zatwierdzony. Jeśli nie, można zwiększyć pokrycie lutowiem lub zbadać inne strategie termiczne.

Celem jest potwierdzenie, że zmniejszony wzór pasty zapewnia wystarczającą wydajność cieplną w całym zakresie warunków produkcyjnych i operacyjnych. Ignorowanie konfliktu między potrzebami termicznymi a możliwościami ponownej obróbki nie jest opcją. Odkrycie, że twoje płytki są niszczone podczas ponownej obróbki, jest kosztownym i całkowicie dającym się uniknąć błędem.